CN106679908B - 考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置，包括疲劳试验机固定底座、橡胶作动头、试验机底座固定架、机架及机架固定底板，机架用于放置带有铺装层的钢桥面板局部模型，疲劳试验机通过橡胶作动头对试件施加弯曲疲劳荷载，用于模拟实际车轮与桥面铺装的接触作用。试验机底座固定架内的连接弹簧使橡胶作用头的底部紧贴试件表面。机架固定底板设有螺栓孔群，以适应不同尺寸试件的安装。本装置通过改变试件的固定方式及疲劳荷载的传递方式，实现对带有铺装层的钢桥面板局部试件的疲劳荷载的施加。本发明能够较好地模拟钢桥面板与铺装层耦合作用下钢桥面板、铺装层各自的实际受力情况，显著提高了试验的效率，降低了试验成本。

Description

考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置

技术领域

本发明涉及一种桥梁结构疲劳试验仪器，具体涉及一种考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置。

背景技术

正交异性钢桥面板因具有重量轻、强度高、抗弯抗扭刚度大等优点，在大跨径缆索体系桥梁中得到了广泛的应用。由于其构造复杂，疲劳裂纹是钢桥面板常见的病害之一，其难以避免且早期难以发现，严重时甚至会导致钢桥倒塌事故。国内外学者针对钢桥面板疲劳裂纹开展了大量的理论及试验研究，但现阶段的研究大多仅针对钢桥面板本身，而忽略了桥面铺装。现阶段研究成果表明，钢桥面铺装对正交异性钢桥面板的抗疲劳性能具有不可忽略的影响，部分钢桥设计规范也建议在钢桥设计时考虑钢桥面铺装的影响。因此在进行钢桥面板的疲劳性能评价时，应将钢桥面板与铺装层作为一个整体进行分析。

目前常见的疲劳试验装置有液压伺服机（MTS）及振动型疲劳试验装置，前者主要应用于钢桥面板截断模型（或钢箱梁截面模型）的疲劳试验，后者主要应用于钢桥面板局部模型试件的疲劳试验。若在试验中考虑铺装层的影响，MTS是一种可行的试验装置，但是其成本过高，部分小型实验室不具备这个条件；而振动型疲劳试验装置则由于试件固定及加载方式的限制，无法考虑铺装层的影响。

可见，如何设计一种新型的、较为经济的且能够模拟结构实际受力的考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置，就成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置，包括机架固定底板、机架和疲劳试验机，所述机架与机架固定底板固定连接，所述机架上具有用于装夹带有铺装层的钢桥面板局部模型试件的螺栓孔；所述疲劳试验机通过弹性装置联接在固定底板上，所述弹性装置使橡胶作用头的底部紧贴试件表面；所述疲劳试验机通过橡胶作动头对试件施加弯曲疲劳荷载，用于模拟实际车轮与桥面铺装的接触作用。

作为优选，所述疲劳试验机固定底座内设有横向、纵向加劲肋，以保证其具有足够的刚度。

作为优选，所述疲劳试验机固定底座四个角与螺纹竖杆通过螺纹相啮合，并通过限位刻度计控制螺纹竖杆的纵向位移。

作为优选，限位刻度计底部设有弹簧，试验过程中弹簧始终处于压缩状态，此时限位刻度计可紧贴螺纹竖杆的上部，此时可通过读取限位刻度计的读数来控制连接弹簧的拉伸长度。

作为优选，疲劳试验机固定底座底部设有作动头放置滑槽，滑槽内螺纹与水平限位螺杆上的螺纹相啮合，通过转动水平限位螺杆可实现橡胶作动头水平位置的调整，以获取不同的加载位置。

作为优选，橡胶作动头的截面突变处均作了倒角处理，以改善橡胶作动头截面突变处的局部受力，防止试验过程中出现橡胶作动头的疲劳破坏。

作为优选，作动头固定端与水平限位螺杆之间放置有辅助定位圆杆，其表面光滑，可在作动头放置滑槽内自由滑动，以减少水平限位螺杆的转动圈数，提高试验准备工作的效率。

作为优选，螺纹竖杆分为上下两部分，两部分之间通过哑铃形连接件连接，以保证螺纹竖杆两部分之间的转动互不干涉，但两部分的竖向位移保持一致。

作为优选，哑铃形连接件的截面突变处均作了倒角处理，以改善连接件的局部受力情况，防止疲劳试验过程中连接件发生断裂。

作为优选，试验机底座固定架内设连接弹簧，连接弹簧两端分别连接螺纹竖杆和连接弹簧固定底座，连接弹簧具有较大的弹性模量，通过转动螺纹竖杆拉伸连接弹簧，从而使橡胶作动头底部紧贴试件表面。

作为优选，机架分为上下两部分，两部分之间设有盘式橡胶垫，两者外围通过机架连接板连接，在保证具有足够刚度的情况下，起到一定的耗能的目的。

作为优选，机架固定底板表面设有螺栓孔群，可根据试件的尺寸灵活选择机架及试验机底座固定架的安装位置，以适应不同的试验需求。

作为优选，机架固定底板与钢筋混凝土场地之间设有盘式橡胶垫，以达到减隔震的目的，减小疲劳荷载对场地周边建筑的影响。

使用时，本发明的考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置包括疲劳试验机固定底座、橡胶作动头、试验机底座固定架、机架及机架固定底板，机架可放置带有铺装层的钢桥面板局部模型。橡胶作动头与疲劳试验机固定底座连接在一起，通过疲劳试验机的上下振动对试件施加弯曲疲劳荷载。橡胶作动头底部矩形的面积和实际车轮与路面的接触面积保持一致，以模拟实际车轮与桥面铺装的接触作用。试验机底座固定架内设连接弹簧，通过连接弹簧的拉伸作用使橡胶作用头的底部紧贴试件表面。

有益效果：本发明提出的疲劳试验装置通过橡胶作动头传递弯曲疲劳荷载，能够较好地模拟钢桥面板与铺装层耦合作用下钢桥面板、铺装层各自的实际受力情况，显著提高了试验的效率，降低了试验成本。本发明的装置可对带有铺装层试件施加疲劳荷载，较好地模拟了车轮荷载作用下铺装层与钢桥面板协同工作的情况，为钢桥面板与铺装层耦合体系受力性能等的研究提供了切实可行的方法。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1为本装置的外观示意图；

图2为疲劳试验机固定底座及附属零件的拆解图；

图3为疲劳试验机固定底座的内部结构剖视图；

图4为疲劳试验机固定底座一侧的加劲肋剖视图；

图5为螺纹竖杆、限位刻度计、限位弹簧的协同工作示意图；

图6为螺纹竖杆上下部分的连接示意图；

图7为竖杆连接轴承的外观示意图；

图8为橡胶作动头的后视示意图；

图9为橡胶作动头的前视示意图；

图10为试验机底座固定架、螺纹竖杆、连接弹簧的拆解示意图；

图11为机架的拆解示意图；

图12为机架固定底板、盘式橡胶垫、钢筋混凝土场地的半剖视图；

图13为带有铺装层试件的外观示意图；

图14为双作动头的安装示意图；

图15为不同尺寸试件的安装示意图；

图16为无铺装层试件的安装示意图；

图中：疲劳试验机1，高强螺栓2，高强螺栓孔2a，疲劳试验机固定底座3，纵向加劲肋3a，横向加劲肋3b，螺纹竖杆4，螺纹竖杆通过孔4a，竖杆连接轴承4b，轴承安放孔4c，弹簧连接孔4d，限位刻度计5，限位刻度计放置孔5a，限位弹簧6，水平限位螺杆7，作动头放置滑槽7a，辅助定位圆杆8，作动头固定端9，作动头固定螺栓10，作动头螺栓通过孔10a，橡胶作动头11，橡胶作动头矩形底面11a，试验机底座固定架12，连接弹簧13，连接弹簧通过孔13a，连接弹簧固定底座14，弹簧连接孔14a，支承加劲肋15，机架16，盘式橡胶垫17，橡胶垫放置槽17a，机架连接板18，机架固定底板19，钢筋混凝土场地20，铺装层21，钢桥面板22。

具体实施方式

实施例：

以带有铺装层的具有三个U肋试件的疲劳试验为例，如图1、图2、图3、图5、图6、图10、图11、图12所示，该疲劳试验装置包括疲劳试验机1，高强螺栓2，高强螺栓孔2a，疲劳试验机固定底座3，纵向加劲肋3a，横向加劲肋3b，螺纹竖杆4，螺纹竖杆通过孔4a，竖杆连接轴承4b，轴承安放孔4c，弹簧连接孔4d，限位刻度计5，限位刻度计放置孔5a，限位弹簧6，水平限位螺杆7，作动头放置滑槽7a，辅助定位圆杆8，作动头固定端9，作动头固定螺栓10，作动头螺栓通过孔10a，橡胶作动头11，橡胶作动头矩形底面11a，试验机底座固定架12，连接弹簧13，连接弹簧通过孔13a，连接弹簧固定底座14，弹簧连接孔14a，支承加劲肋15，机架16，盘式橡胶垫17，橡胶垫放置槽17a，机架连接板18，机架固定底板19，钢筋混凝土场地20，铺装层21，钢桥面板22。

如图1、图11、图12所示，根据试验需要确定试件（包括铺装层21和钢桥面板22）的尺寸，然后根据试件尺寸确定机架16的位置，并使用高强螺栓2将机架16固定在机架固定底板19上相应的螺栓孔群位置处。根据已确定的加载位置，用高强螺栓2将试验机底座固定架12固定在机架固定底板19上相应的螺栓孔群位置处。在机架16的上下两部分之间放置好盘式橡胶垫17，并利用高强螺栓2、机架连接板18将机架16的上下两部分固定。

如图1、图13所示，利用高强螺栓2将试件（包括铺装层21和钢桥面板22）固定在机架16的相应位置。

如图1、图2、图3、图4所示，用高强螺栓2将疲劳试验机1与疲劳试验机固定底座3连接，用作动头固定螺栓10连接橡胶作动头11和作动头固定端9，将作动头固定端9滑入作动头放置滑槽7a内，此时在作动头固定端9两侧根据需要放入辅助定位圆杆8，然后在两侧分别连接水平限位螺杆7，并通过转动水平限位螺杆7使橡胶作动头11达到指定位置并固定。

如图1、图2、图5所示，将限位弹簧6、限位刻度计5先后放入限位刻度计放置孔5a中，然后使螺纹竖杆4通过螺纹竖杆通过孔4a，此时确保限位弹簧6处于受压状态，此时限位刻度计5才能够随螺纹竖杆4的上下移动而移动，达到控制连接弹簧13拉伸长度的目的。

如图1、图10所示，实际连接弹簧固定底座14与试验机底座固定架12刚接（如焊接等）在一起，连接弹簧13的两端均可设置螺纹，通过与连接弹簧固定底座14、螺纹竖杆4的螺纹孔相啮合而协同工作，确保其竖直方向无法自由运动，实现螺纹竖杆4、连接弹簧13、试验机底座固定架12的连接固定。

如图1、图2、图10所示，利用扳手拧动螺纹竖杆4，使其向上移动，此时连接弹簧13处于受拉状态，利用连接弹簧13的拉力使橡胶作动头11紧贴试件表面，起到传递疲劳荷载的目的。拧动螺纹竖杆4时注意观察限位刻度计5的读数，确保四根螺纹竖杆4向上的位移保持一致，即连接弹簧13处于相同的拉伸状态。

如图1所示，开动疲劳试验机1，此时疲劳试验机1由于自身偏心块的转动带动橡胶作动头11的上下运动，在螺纹竖杆4等的作用下橡胶作动头11与试件表面紧贴在一起，此时可达到施加疲劳荷载的目的。

如图1、图14所示，本加载装置可模拟双轮与路面的接触作用，即在作动头放置滑槽7a内放置两个相同的橡胶作动头11，两橡胶作动头11间的距离与实际双轮两车轮之间的距离一致。

如图1、图15所示，可根据试验需要定制不同尺寸的试件，此时只需要调整机架16、试验机底座固定架12的位置，利用高强螺栓2将试件固定到机架上，其他操作过程均与前述一致。

如图1、图16所示，可根据试验目的选择是否增设铺装层，即本试验装置可同样适用于不考虑铺装层的试件。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置，包括机架固定底板、机架和疲劳试验机，其特征在于：所述机架与机架固定底板固定连接，所述机架上具有用于装夹带有铺装层的钢桥面板局部模型试件的螺栓孔；所述疲劳试验机通过弹性装置联接在固定底板上，所述弹性装置使橡胶作动头的底部紧贴试件表面；所述疲劳试验机通过橡胶作动头对试件施加弯曲疲劳荷载，用于模拟实际车轮与桥面铺装的接触作用；所述疲劳试验机与橡胶作动头安装在疲劳试验机固定底座上，所述疲劳试验机固定底座的四个角上安装有螺纹竖杆，所述弹性装置是连接于螺纹竖杆与机架固定底板之间的弹簧。

2.根据权利要求1所述的考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置，其特征在于：所述疲劳试验机固定底座内设有横向、纵向加劲肋；疲劳试验机固定底座下部设有作动头放置滑槽，所述滑槽内安装有用于调整橡胶作动头水平位置的水平限位螺杆。

3.根据权利要求1所述的考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置，其特征在于：所述橡胶作动头的截面过渡段和底面具有倒角，底面面积与正常情况下车轮轮胎与路面的接触面积相等。

4.根据权利要求1所述的考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置，其特征在于：所述螺纹竖杆与疲劳试验机固定底座之间均设有限位刻度计，限位刻度计与底座之间通过弹簧连接。

5.根据权利要求4所述的考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置，其特征在于：所述螺纹竖杆具有上下两部分，两部分之间通过哑铃形连接件连接。

6.根据权利要求1所述的考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置，其特征在于：所述机架固定底板上固定连接有试验机底座固定架，所述弹簧安装在试验机底座固定架中。

7.根据权利要求1所述的考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置，其特征在于：所述机架分为上下两个构件，两构件之间设有盘式橡胶垫，两构件外围设有机架连接板。

8.根据权利要求1所述的考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置，其特征在于：所述机架固定底板上具有用于适应不同尺寸试件的螺栓孔群。

9.根据权利要求1所述的考虑钢桥面板与铺装耦合作用的疲劳试验装置，其特征在于：所述机架固定底板通过盘式橡胶垫与钢筋混凝土场地联接。